신호전송선과 압전 마이크로 구동기가 일체형으로 결합된 저전압 구동 RF switch에 관한 연구 = A Study of Low Voltage Operating RF switch Combined with Integrated Piezoelectric Micro Actuator and Transmission Line

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 Lead Zirconate Titanate (PZT) 압전 박막을 이용한 마이크로 구동기와 신호전송선이 일체형으로 결합된 압전구동 방식의 RF MEMS switch를 제안하였다.
압전 박막을 이용하여 저전압에서 구동하는 특성과 우수한 고주파 특성을 갖는 신호전송선이 일체형으로 결합된 스위치는 간단한 구조로 초소형화가 가능한 장점이 있으며, 구동기의 초기 변형 문제를 완화하기 위한 안정적인 구조를 띄고 있다.
먼저 구조 해석 및 RF 특성 모의실험을 통해 단일 및 다중 스위치 구조를 설계하고 MEMS 기술을 이용한 공정 방안을 고안하였다.
제안된 스위치는 기본적으로 Pt/PZT/Pt multi layer로 구성된 압전구동기를 기반으로 하고 있으며, PZT 박막은 Sol-gel process의 최적화를 통해 형성함으로써 ra값이 2.5 nm인 균일한 표면특성을 보임을 확인하였다. 또한 멀티 코팅 과정을 통해 500 nm 두께의 박막을 얻을 수 있었으며, XRD 측정 결과 압전 특성을 가지는 perovskite phase가 우세함을 확인 하였다.
확립된 단위공정을 기술을 바탕으로 제작된 스위치를 SEM을 통하여 관찰한 결과 휨변형 없이 안정적으로 제작되었음을 확인할 수 있었다.
또한 MEMS 일괄공정기술을 이용하여 제작된 SPST, SP2T, SP3T RF MEMS 스위치 prototype의 초고주파 성능을 평가하기 위해 네트워크 어날라이저를 사용하여 RF 특성을 측정하였다. 측정결과 SPST 스위치의 경우 20 GHz의 주파수 영역까지 1.5 dB 이하의 삽입 손실 특성과 40 dB 이상의 우수한 신호분리도 특성을 보임을 확인하였다. SP2T, SP3T 구조의 경우 삽입손실은 각 출력단에 대해 10 GHz까지 각각 4와 5 dB 이하, ON 상태를 제외한 나머지 입력-출력단 간 신호분리도는 30 dB 이상으로 비교적 우수한 RF 특성을 보임을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, a low voltage and high performance RF MEMS switch based on a piezoelectric micro actuator, combining with the transmission line monolithically, was proposed. The switch structure was designed with considerations of both mechanical and electrical switch performances. The fabrication process was carefully optimized to realize the proposed switch using micromachining technologies. In addition, the RF performance of the proposed RF MEMS switch (prototype) was characterized through the simulations and measurements.
The proposed switch structure consists of Pt/PZT/Pt multi-layers to covert electrical energy into mechanical energy, and is basically fabricated using micromachining technologies. The switch is fully released by an isotropic etching of the silicon under the moving structure.
RF characteristics of the designed RF MEMS switch were estimated through RF simulation with a frequency range of DC to 30 GHz. The simulated insertion loss and isolation were less than 0.4 and higher than 20 dB up to 30 GHz, respectively. The fabricated SPST switch (prototype) has shown excellent performing properties, insertion loss and isolation were 1.5 and higher than 40 dB at a frequency of 20 GHz, respectively. Also, the measured insertion loss of SP2T and SP3T switch (prototype) were less than 4 and 5 dB, respectively, and the isolation of both switches (prototype) was higher than 30 dB up to 10 GHz.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.1.1 RF MEMS 5
• 1.1.2 RF MEMS actuator의 구동방식과 동향 7
• 1.2 논문의 동기 12
• 1.3 논문의 목적 14
• 1.4 논문의 구성 16
• 2. 이 론 18
• 2.1 압전효과 18
• 2.2 압전효과의 종류 21
• 2.3 압전효과의 수학적인 고찰 23
• 2.4 압전물질 29
• 2.5 Lead Zirconate Titanate (PZT) 34
• 3. 시뮬레이션 38
• 3.1 RF MEMS switch의 시뮬레이션 38
• 3.2 RF MEMS switch의 디자인 39
• 3.3 RF MEMS switch의 RF시뮬레이션 49
• 3.3.1 SP2T RF Simulation 62
• 3.3.2 SP2T RF Simulation 64
• 4. 제작 66
• 4.1 전체 제작 공정 66
• 4.2 단위 공정 73
• 4.2.1 옥사이드 패터닝 73
• 4.2.2 PZT 증착 및 식각 75
• 4.2.3 신호전송선과 희생층 80
• 4.2.4 Release 82
• 5. 결과 84
• 5.1 제작 검토 및 결과 84
• 6. 결론 99
• 참고문헌 101